铸造过程中液态金属的凝固过程决定了铸件的组织和性能,而金属凝固主要受铸型冷却的影响,因此控制铸型的冷却是提高铸件质量的关键之一,也是研究的重点。砂型3D打印技术摆脱了传统砂型的复杂度限制。利用砂型3D打印技术,本文设计了多层嵌套壳砂型结构,提出了基于多层嵌套壳砂型的水冷定向凝固工艺,旨在获得相比传统砂型铸造更加优异的凝固组织和力学性能。系统分析了多层嵌套壳砂型水冷定向凝固工艺下的传热,空气夹层提高了多层嵌套壳砂型的保温性能,有利于液面上部的保温,结合底部的水冷,促进了铸件的定向凝固。1)在冷却水液面上升阶段,最内层砂型壳表面过热,与冷却水接触的部分发生沸腾换热,铸件下部剧烈冷却,而中空层内水蒸气加热砂型壳,进一步提升了对铸件上部的保温效果,两者综合极大增加了铸件在高度方向上的温度梯度,有利于定向凝固生成组织;2)冷却水完全浸没砂型且沸腾换热停止后,铸件砂型将处于冷却水无相变对流降温阶段,极大的提高了铸件凝固后的冷却效率,有助于减小铸件的残余应力和变形。对基于四层嵌套壳砂型的圆柱试样进行铸造过程数值模拟。研究发现其保温性能是单层壳砂型的1.8倍,是密实砂型的2.6倍,并且温度均匀性三者最优;更高的液面上升速率导致了凝固界面的滞后,导致凝固界面凹陷,并且凹陷随着凝固界面滞后程度的增大而增加。采取变速率液面上升工艺,可实现凝固界面的平稳上升,两者高度差维持恒定,凝固界面基本无凹陷,此种工艺为理想的定向凝固状态。为圆柱试件设计并采用3DP方法打印了四层嵌套壳砂型。开发了基于四层嵌套壳砂型的水冷定向凝固设备平台。开展了圆柱试件四层嵌套壳砂型水冷定向凝固实验,研究表明:1)嵌套壳砂型的空气夹层比实体砂部分更隔热,并且沸腾产生的水蒸气会加热液面上方的砂型,延缓铸件上部的凝固时间。2)水冷定向凝固工艺下,铸件凝固冷却效率极大提高,直径40mm铸件提高至自然冷却的5.8倍,直径20mm铸件提高至2.7倍,并且高度方向的平均温度梯度达到了3.0℃/mm,保证了铸件的定向凝固效果。3)对铸件微观组织进行研究,在水冷定向凝固工艺铸件中,α-Al晶粒细化,更圆整且二次枝晶臂间距更小;共晶硅颗粒在枝晶间均匀分布,细化后的颗粒尺寸在2～8μm之间,仅为自然冷却条件下的五分之一。4)直径40mm的铸件水冷定向凝固工艺下,拉伸强度提高了56%,屈服强度提高了20%,延伸率提高185%,硬度提高62.6%;直径20mm的铸件分别提高了18%、3%、29%、17.5%。综上,基于多层嵌套壳砂型的水冷定向凝固工艺给铸件带来了更加优异的组织和性能。